特高压交流/直流输电技术分析：过电压抑制、外绝缘配置、电磁环境控制...你想要的都在这里
策划 | 国际能源网 炫清
特高压
特高压，超远距离、超大规模输电技术，是全球输电技术中的制高点，为实现更大范围内的能源资源优化配置提供了技术手段，在我国，特高压是指±800千伏及以上的直流电和1000千伏及以上交流电的电压等级。
我国从2004年底开始集中开展对特高压输电技术的大规模研究论证、技术攻关以及工程实践，进行了特高压交流输电、特高压直流输电技术的研究，掌握了过电压抑制、外绝缘配置、电磁环境控制等关键技术，研制出变压器、开关、串补装置，和换流变、换流阀、平波电抗器、直流控制保护等核心设备，建立了包括研究、设计、制造在内完整的特高压输电技术体系。
为何需要特高压？
从我国能源资源和经济发展来看，中东部经济发达，人口稠密，生产制造企业集中，电能消耗量大。
而发电用的资源中：
煤炭储藏主要在西北，如山西、陕西、内蒙古东部、宁夏以及新疆部分地区；
水力资源主要分布在西部地区和长江中上游、黄河上游以及西南的雅砻江、金沙江、澜沧江、雅鲁藏布江等；
风、光等新能源更是大多在人迹罕至的空旷地带才好集中采集。
我国能源资源分布与经济发展分布不平衡，决定了长距离输电是我国电力工业需要面对的重要挑战之一，发展特高压工程在其中具有历史意义。
从输电效率来看，1000千伏特高压交流输电线路输送功率约为500千伏线路的4至5倍，正负800千伏直流特高压输电能力是正负500千伏线路的两倍多。特高压交流线路在输送相同功率的情况下，可将最远送电距离延长3倍，而损耗只有500千伏线路的25%至40%。
同时，输送同样的功率，采用1000千伏线路输电与采用500千伏的线路相比，可节省60%的土地资源。从西北把煤电、风电输送到华东、华北地区，跨度超过3000公里，采用特高压输电技术节省的资源无疑是可观的。
特高压输电技术
交流输电技术因为具有较低的热损耗，从而在远距离输电的历史舞台上占据了一个世纪的主角。但是随着本世纪电力电子行业的急速发展，换流器技术的逐渐成熟，直流输电正在以惊人的速度崛起。在中国特高压发展的进程中，直流输电已经和交流输电平分秋色。
国际能源网分交流输电和直流输电为大家介绍特高压输电的关键技术。
交流特高压输电关键技术1
过电压抑制技术
过电压是由于雷击、开关操作、故障或参数配合不当等原因导致的部分线路或设备的电压升高，这种超过额定值的电压升高称为过电压，是负荷投切的瞬间的结果，正常使用时在感性或容性负载接通或断开情况下发生。
基于特高压交流输电技术的特点，以下主要介绍暂态过电压、操作过电压、雷电过电压和特快速瞬态过电压的抑制技术。
暂时过电压暂时过电压包括工频和谐振过电压。
工频暂时过电压是避雷器额定电压选择的基础。中国特高压线路主要采用装设线路并联电抗器的措施来抑制工频暂时过电压。可将沿线最大工频暂时过电压水平限制在1.4p.u.及以下(1p.u.=635kV)，线路断路器变电站侧最大工频暂时过电压水平控制在1.3p.u.及以下，持续时间不超过0.5s。
依据暂时过电压水平和最大持续时间，另考虑避雷器优良伏安特性和能量的耐受特性，交流特高压系统线路侧和母线侧的避雷器额定电压按1.3p.u.暂时过电压考虑，均选为828kV。相比于500kV系统线路侧避雷器按1.4p.u.、母线侧按1.3p.u.暂时过电压选择避雷器不同，为降低设备绝缘要求创造了条件。
谐振过电压主要包括非全相谐振过电压和高次谐波谐振过电压。谐波谐振过电压并无有效限制措施，因此要求在系统设计时避免出现谐波谐振的条件。对于非全相谐振过电压，中国特高压工程采取在高抗中性点上装设小电抗的方式加以抑制。
线路高抗及高抗中性点小电抗示意图
安装于高抗中心点的小电抗可同时解决特高压线路因电压高、线路较长导致线路单相接地故障时潜供电流较大不易熄弧、单相重合闸设置困难的问题，小电抗的电感值按照将潜供电流限制在12 A以内选取，从而使单相重合闸时间控制在1s。
操作过电压操作过电压是交流特高压设备绝缘水平的决定因素，主要包括合空载线路和单相重合闸过电压、单相接地故障过电压、故障清除分闸过电压以及单相接地三相分闸过电压。
交流特高压系统的操作过电压主要依靠避雷器限制，但对于合空载线路和单相重合闸产生的过电压，仅依靠避雷器并不能将其限制到较低水平，还需联合断路器合闸电阻加以抑制。
避雷器联合断路器合闸电阻限制操作
过电压示意图
采取上述措施，中国交流特高压线路沿线最大的相对地统计操作过电压不大于1.7p.u.；变电站最大的相对地统计操作过电压不大于1.6p.u.，最大的相间统计操作过电压不大于2.9p.u.。
雷电过电压雷电过电压主要包括雷击线路导线（绕击）、避雷线（反击）、变电站内设备和连线（变电站直击雷）引起的过电压，以及雷击线路传入变电站的侵入波过电压。
特高压交流线路杆塔高，对防止雷电绕、反击不利，特别是雷电绕击问题预计较为突出。为了降低雷电绕击跳闸率，中国特高压交流线路采取双地线防护措施，地线对边导线保护角较超高压交流线路减小，具体为：
单回线路：平原和丘陵地区，一般不宜大于6°；山区，一般不宜大于-4°。
同塔双回线路：平原和丘陵地区，一般不宜大于-3°；山区，一般不宜大于-5°。
线路耐张转角塔的跳线：平原单回线路不宜大于6°；山区单回线路和同塔双回线路不宜大于0°。
采取措施后，特高压交流线路预期雷击跳闸率为0.1次/100km·a，低于500kV线路运行统计值。
特高压变电站防直击雷主要措施为避雷针。限制变电站雷电侵入波过电压的主要措施为优化站内避雷器布置以及进一步减小变电站2km进线段线路避雷线保护角至-4°。对于单回路进线段，可采用架设3根避雷线的措施。按照该保护配置，特高压变电站雷电平均无故障时间预期大于1500年。
特高压变电站进线段采用3根地线
特快速瞬态过电压特快速瞬态过电压（VFTO）是气体绝缘金属封闭组合电器(GIS)设备中隔离开关操作时，由触头间隙发生多次击穿而产生的幅值高、波前时间短、频率高，并具有多次连续脉冲的过电压。其不仅造成一次设备绝缘闪络，还会对控制保护系统产生电磁干扰。中国特高压变电站全部采用GIS设备，且特高压系统绝缘裕度相对超高压系统更低，VFTO的危害性更为突出。
基于特高压VFTO真型试验平台研究成果，中国交流特高压工程通过优化设计开关触头结构参数，来减少高幅值VFTO的出现概率。
特高压VFTO试验平台
该措施可使大部分位置的VFTO控制在2.3p.u.以下，对于少数VFTO超标的情况，则通过在隔离开关上安装500Ω阻尼电阻加强对VFTO的抑制；另外还可以安装新型磁环抑制装置，通过磁环的高频感抗效应和涡流损耗作用以显著降低VFTO的幅值。
2
外绝缘配置
外绝缘一般指各种类型的绝缘子、套管、瓷套等。外绝缘长时间在大气中运行，除了承受电气、机械各种应力外，还须承受风、雨、雪、雾、雷电和温度变化等自然条件，以及表面污秽和外力损坏等因素的影响。
基于特高压交流输电技术的特点，以下主要介绍外绝缘配置中的间隙距离、绝缘子串选择。
间隙距离为确定线路杆塔的塔头间隙距离，中国开展了塔头间隙的工频、操作冲击和雷电冲击放电特性试验。考虑特高压交流系统操作过电压波前时间长于1000μs，除250μs波前时间的标准操作冲击试验外，还开展了1000μs长波前操作冲击试验，以下为导线-塔身间隙的1000μs长波前操作冲击放电曲线。
导线-塔身间隙的1000μs长波前操作冲击放电曲线
根据系统过电压水平，并考虑一定的耐受概率，确定了线路杆塔的塔头最小间隙距离。
1000kV线路杆塔塔头间隙最小值
注：单回线路操作电压中斜线上的数据表示中相带电体对斜铁的间隙距离，斜线下的数据表示中相带电体对上横梁的间隙距离；同塔双回线路，对雷电活动较强烈的山区可根据工程实际条件适当增大雷电最小空气间隙距离。
为确定变电站内导体对地和导体之间的最小间隙距离，开展了均压环、管母线、分裂导线多种组合间隙的相-地、相间放电特性试验。根据工频、雷电冲击和操作冲击三种电压类型的耐受要求，确定了变电站内各种间隙距离最小值。
1000kV变电站最小空气间隙距离
注：A1为变电站相对地最小空气间隙要求值，其中A1′为变电站导线对构架，A1″为设备（带电部分）对构架要求值，A2为相间最小空气间隙要求值，本表适用于海拔1000m以下地区的变电站。
绝缘子串选择高压输电线路距离长，途径区域环境复杂，大气污染程度和成分差异大，为合理配置瓷、玻璃绝缘子片数和复合绝缘子长度，中国利用长期监测获得的绝缘子积污数据，综合考虑等值盐密和灰密两个因素，将沿线区域划分为a~e五个污秽等级，划分标准如下所示。
基于等值盐密/灰密的交流污秽等级划分
通过开展绝缘子在人工污秽条件下的绝缘耐受试验，确定了不同污秽等级条件下的瓷和玻璃绝缘子片数配置。
交流特高压线路瓷和玻璃绝缘子片数配置
对于复合绝缘子，考虑其长期运行后表面仍能保持微弱的憎水性（HC6-HC7），基于对弱憎水性条件下复合绝缘子污秽耐受试验，并考虑操作过电压要求的塔头间隙最小距离要求，确定e级及以下污区复合绝缘子串长均取9m。
3
电磁环境控制
电磁环境是存在于给定场所的电磁现象的总和。基于特高压交流输电技术的特点，以下主要介绍电磁环境控制中的线路可听噪声和无线电干扰控制、线路附近地面工频电场和工频磁场控制、变电站设备可听噪声控制。
交流特高压工程电磁环境限值近40年的运行实践表明，中国的交流超高压输电工程表现出较好的环境兼容性，未对自然生态和人们的生产生活造成明显不良影响。参照中国已有超高压交流系统电磁环境限值，结合世界卫生组织（WHO）、国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）、国际无线电干扰特别委员会（CISPR）等国际组织相关研究成果，中国制定了交流特高压系统的电磁环境限值要求。
1000kV交流系统电磁环境限值
线路可听噪声和无线电干扰控制控制交流线路可听噪声和无线电干扰的关键是合理选取子导线半径、分裂数目和分裂间距，将导线表面场强降低至合理水平，减少导线表面电晕放电发生。
中国基于电晕笼和试验线段开展特高压线路电晕放电特性试验，确定了单回路线路采用8分裂导线，分裂间距400毫米，子导线截面500平方毫米的导线型式；同塔双回输电线路采用8分裂，分裂间距400毫米，子导线截面630平方毫米的导线型式。
以下为晋东南-南阳-荆门特高压交流单回线路和淮南-浙北-上海特高压交流同塔双回线路边导线外20m处的无线电干扰、可听噪声监测结果，可见，采取上述导线型式，特高压交流输电线路的无线电干扰和可听噪声均能满足规定的限值要求。
1000kV特高压单、双回线路无线电干扰、可听噪声监测结果（边导线外20m处）
线路附近地面工频电场和工频磁场控制降低线路附近地面处工频电场和磁场的主要措施是提高导线对地距离。
特高压交流线路运行电压高，电场环境更加敏感，根据准静态电场仿真计算，结合不同区域的工频电场限值要求，中国确定了交流特高压线路导线的最小对地距离设计要求：
跨越农田处，单回路导线对地距离不低于22m，同塔双回路导线对地距离不低于21m。
在跨越公路处，单回路导线对地距离不低于27m，同塔双回路导线对地距离不低于25m。
对于邻近民房的情况，首先通过合理选择路径尽量加以避让，对于少数无法避免情况，则按照地面1.5m高处无畸变电场强度不大于4kV/m的限值要求进行校核，视经济性选择采取加高杆塔或拆迁民房的措施。
变电站设备可听噪声控制变压器和并联电抗器的运行噪声是特高压变电站主要噪声源，考虑到并联电抗器更靠近变电站围墙，传播至厂界外的噪声主要来自并联电抗器，因此，中国特高压工程重点控制并联电抗器噪声。
并联电抗器噪声控制主要采用“Box-in”技术，该技术是采用隔声罩将并联电抗器本体完全封闭，隔声罩为阻尼钢板、多孔吸声材料、开孔镀锌钢板的多层复合结构，具备良好的隔音效果，如下所示。并联电抗器“Box-in”装置内、外部噪声对比实测表明，“Box-in”技术降噪量可达18.8dB(A)，通过应用该技术，中国特高压变电站厂界附近的噪声水平可满足环保限值要求。
特高压并联电抗器采用Box-in装置
直流特高压输电关键技术1
过电压抑制
暂时和谐振过电压换流站交流侧暂时过电压主要由交流侧甩负荷或变压器投入引起，主要抑制措施为换流站的快速无功功率控制，按最少投切滤波器原则限制暂时过电压持续时间小于10s，并将暂时过电压限制到1.3p.u以下。
换流站直流侧暂时过电压包括从交流侧传递的暂时过电压和由换流器故障引起的过电压，主要通过直流控制系统的快速调节来抑制调整。
交流侧谐振过电压由交流滤波器和换流变的投切操作以及交流系统单相或三相接地故障及清除过程激发。直流侧谐振过电压主要包括工频和二次谐波谐振过电压。
对于谐振过电压的抑制，首先应系统设计时尽量避免构成谐振条件。对于直流侧的工频和二次谐波谐振过电压，工程中还通过在中性母线上串联50Hz或100Hz阻断滤波器，以及在直流滤波器上并联100Hz谐振支路，两种措施加以限制。此外，控制系统还对直流侧谐振过电压提供正阻尼。
操作过电压直流输电系统操作过电压包括换流站交流侧操作过电压和直流侧操作过电压。
交流侧操作过电压由交流侧操作或故障引起。直流侧操作过电压主要由直流系统紧急停运、换向失败（丢失脉冲）、运行方式转换、投切直流滤波器、站内短路故障以及极线接地故障等原因引起。
特高压直流换流站抑制操作过电压的主要措施为安装避雷器。避雷器配置方式和参数对操作过电压水平起重要作用，对设备操作冲击绝缘水平和工程造价影响较大，典型避雷器布置方案如下所示。
±800kV直流换流站典型避雷器布置
中国特高压直流换流站采用的各型避雷器比以往超高压换流站采用的避雷器在性能上有了显著的提高，其大直径直流电阻片500A电流操作冲击压比低于1.30，荷电率由0.8提高到0.85，更有利于降低换流站内各点操作过电压水平。±800kV直流换流站典型避雷器参数如下所示。
±800kV直流换流站避雷器参数
雷电过电压雷电过电压主要包括雷击线路极导线（绕击）、架空地线（反击）、换流站内设备和连线（换流站直击雷）引起的过电压，以及雷击线路传入换流站引起的侵入波过电压。
为降低线路雷击闪络率，中国特高压直流线路设置了双架空地线，并要求山区线路地线保护角小于-10°，平原地区线路地线保护角小于0°。按照该标准设计，线路预期雷击闪络率不高于0.1次/100km·a。
特高压换流站防直击雷主要措施为安装避雷针。雷电侵入波可由直流极导线、交流线路和中性母线传入站内。由于换流站直流侧母线装设有直流滤波器和平波电抗器，交流母线上安装有多组滤波器和电容器，一定程度上对来自直流极导线和交流线路的雷电侵入波起到了抑制作用，因此，由直流极导线和交流线路传入的雷电侵入波一般并不严重。中性母线雷电侵入波可来自金属回线、接地极线路或极线，雷电侵入波经直流滤波器耦合到中性母线，中性母线装设的避雷器和冲击吸收电容器可对其进行有效抑制。
2
设备绝缘水平
直流换流站设备冲击绝缘水平为保护该设备的避雷器在标称放电电流下的残压与设备绝缘配合裕度的乘积，中国±800kV直流输电工程绝缘配合裕度取值如下所示。
±800kV直流输电工程绝缘配合裕度推荐值
对于不同直流工程，由于拓扑结构、设备参数以及线路长度不同，避雷器配置方案也不尽相同，因此设备耐受电压要求值也不同。作为参考，下表给出了某±800kV换流站设备耐受电压要求值。
某±800kV换流站设备耐受电压要求值
因直流特高压输电线路的特点，过电压对其影响不如对交流输电影响严重。除此之外，直流特高压设备的绝缘水平选择有一套单独的标准，具有重要的参考价值。
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外绝缘配置
空气间隙为确定直流线路杆塔的塔头间隙距离，中国开展了塔头间隙的直流电压放电试验和标准操作冲击放电试验，结合工程的过电压水平，以及沿线海拔条件，确定了±800kV线路杆塔的塔头间隙距离最小值。
±800kV线路带电部分与杆塔构件的最小间隙
注：最高运行电压816kV，最大操作冲击电压1.6p.u.，雷电冲击下的间隙距离不做要求。
通过开展大尺寸金具电极对周围接地体的放电特性试验，确定±800kV换流站阀厅的空气间隙距离最小空气间隙距离为9m。
绝缘子串选择由于静电吸附作用，直流电场下绝缘表面积污比交流电场作用时更加严重，中国通过大量的现场实测与模拟试验，建立了交、直流电场作用下的绝缘子表面积污量换算方法，利用常年积累的交流线路绝缘子积污数据，制定了基于灰密和等值盐密双要素的直流线路污秽等级划分标准。
直流污秽等级与等值盐密/灰密的关系
通过人工污秽试验，确定了不同污区等级下的瓷和玻璃绝缘子片数范围。
直流下的瓷和玻璃绝缘子片数选择
复合绝缘子配置是基于弱憎水性条件下的污秽耐受试验，结合沿线污区分布与海拔确定，典型配置如下所示。
典型±800kV直流特高压复合绝缘子串长度
4
电磁环境控制
电磁环境限值参考中国±500kV直流系统电磁环境限值，结合世界卫生组织（WHO）、国际电工委员会（ICNIRP）、国际无线电干扰特别委员会（CISPR）等国际组织相关研究成果，中国制定了直流特高压系统的电磁环境限值，详见下表。
±800kV直流输电线路电磁环境限值
线路可听噪声和无线电干扰控制控制直流线路可听噪声和无线电干扰，关键是合理选择导线极间距，子导线截面和分裂型式。
中国根据电晕笼内二十余种分裂导线的试验研究以及试验线段上的真型分裂导线试验验证，提出了适用于多分裂大截面导线的特高压直流线路可听噪声预测方法。在可听噪声和无线电干扰限值约束下，确定和优化了±800kV直流线路的导线截面、分裂型式和极间距，详见下表。实测数据表明，按照表5给出数据的配置导线，线路的可听噪声和无线电干扰均能满足限值要求。
±800kV直流输电线路导线截面
分裂型式和极间距
线路附近地面合成电场和离子流密度控制中国直流特高压工程主要通过选择合适的极导线最小对地高度将线路下的地面合成电场和离子流密度控制在限值要求的水平。中国目前已建成的特高压直流线路均为单回水平排列，线路的最小对地高度，在非居民区取18m，在居民区取21m。从而将线路下的地面合成电场和离子流密度控制在国家环保限值内。
换流站噪声控制运行经验表明，±500kV换流站的噪声已接近限值，±800kV换流站的声源设备数量、容量和运行电压都比±500kV大，其噪声控制更加严峻，必须从降低声源噪声功率、阻碍噪声传播途径和优化设备布置三个方面采取综合措施。
降低声源噪声功率是控制噪声的根本，设备制造厂商为此对设备声结构进行了优化、并大量采用了降噪降震材料。为阻碍噪声传播途径，中国特高压换流站站界处均设置有声屏障，针对换流变等主要声源设备，采用了“Box-in”降噪技术。在换流站设备布置方面，中国特高压换流站采用了阀厅和换流变压器面对面布置方案，相比于阀厅和换流变压器一字形布置，其噪声水平明显改善，两种布置方案下的噪声分布如下所示。
换流变和阀厅一字形布置时的噪声分布
换流变和阀厅面对面布置时的噪声分布
（整理自高电压技术）
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